Redis数据结构和内存管理方法是什么

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一.网络模型

Redis是典型的基于Reactor的事件驱动模型，单进程单线程，高效的框架总是类似的。网络模型与spp的异步模型几乎一致。

Redis流程上整体分为接受请求处理器、响应处理器和应答处理器三个同步模块，每一个请求都是要经历这三个部分。

Redis集成了libevent/epoll/kqueue/select等多种事件管理机制，可以根据操作系统版本自由选择合适的管理机制，其中libevent是最优选择的机制。

Redis的网络模型有着所有事件驱动模型的优点，高效低耗。但是面对耗时较长的操作的时候，同样无法处理请求，只能等到事件处理完毕才能响应，之前在业务中也遇到过这样的场景，删除redis中全量的key-value，整个操作时间较长，操作期间所有的请求都无法响应。所以了解清楚网络模型有助于在业务中扬长避短，减少长耗时的请求，尽可能多一些简单的短耗时请求发挥异步模型的最大的威力，事实上在Redis的设计中也多次体现这一点。

二.数据结构和内存管理

1.字符串

1.1 结构

Redis的字符串是对C语言原始字符串的二次封装，结构如下：

struct sdshdr {
    long len;
    long free;
    char buf[];
};

可以看出，每当定义一个字符串时，除了保存字符的空间，Redis还分配了额外的空间用于管理属性字段。

1.2 内存管理方式

动态内存管理方式，动态方式最大的好处就是能够较为充分的利用内存空间，减少内存碎片化，与此同时带来的劣势就是容易引起频繁的内存抖动，通常采用“空间预分配”和“惰性空间释放”两种优化策略来减少内存抖动，redis也不例外。

每次修改字符串内容时，首先检查内存空间是否符合要求，否则就扩大2倍或者按M增长；减少字符串内容时，内存并不会立刻回收，而是按需回收。

关于内存管理的优化，最基本的出发点就是浪费一点空间还是牺牲一些时间的权衡，像STL、tcmalloc、protobuf3的arena机制等采用的核心思路都是“预分配迟回收”，Redis也是一样的。

1.3 二进制安全

判断字符串结束与否的标识是len字段，而不是C语言的'\0'，因此是二进制安全的。
放心的将pb序列化后的二进制字符串存入redis。
简而言之，通过redis的简单封装，redis的字符串的操作更加方便，性能更友好，并且屏蔽了C语言字符串的一些需要用户关心的问题。

2.字典（哈希）

字典的底层一定是hash，涉及到hash一定会涉及到hash算法、冲突的解决方法和hash表扩容和缩容。

2.1 hash算法

Redis使用的就是常用的Murmurhash3，Murmurhash算法能够给出在任意输入序列下的散列分布性，并且计算速度很快。之前做共享内存的Local-Cache的需求时也正是利用了Murmurhash的优势，解决了原有结构的hash函数散列分布性差的问题。

2.2 hash冲突解决方法

链地址法解决hash冲突，通用解决方案没什么特殊的。多说一句，如果选用链地址解决冲突，那么势必要有一个散列性非常好的hash函数，否则hash的性能将会大大折扣。Redis选用了Murmurhash，所以可以放心大胆的采用链地址方案。

2.3 hash扩容和缩容

维持hash表在一个合理的负载范围之内，简称为rehash过程。
rehash的过程也是一个权衡的过程，在做评估之前首先明确一点，不管中间采用什么样的rehash策略，rehash在宏观上看一定是：分配一个新的内存块，老数据搬到新的内存块上，释放旧内存块。
老数据何时搬？怎么搬？就变成了一个需要权衡的问题。
第一部分的网络模型上明确的指出Redis的事件驱动模型特点，不适合玩长耗时操作。如果一个hashtable非常大，需要进行扩容就一次性把老数据copy过去，那就会非常耗时，违背事件驱动的特点。所以Redis依旧采用了一种惰性的方案：
新空间分配完毕后，启动rehashidx标识符表明rehash过程的开始；之后所有增删改查涉及的操作时都会将数据迁移到新空间，直到老空间数据大小为0表明数据已经全部在新空间，将rehashidx禁用，表明rehash结束。
将一次性的集中问题分而治之，在Redis的设计哲学中体现的淋漓尽致，主要是为了避免大耗时操作，影响Redis响应客户请求。

3.整数集合

变长整数存储，整数分为16/32/64三个变长尺度，根据存入的数据所属的类型，进行规划。
每次插入新元素都有可能导致尺度升级（例如由16位涨到32位），因此插入整数的时间复杂度为O（n）。这里也是一个权衡，内存空间和时间的一个折中，尽可能节省内存。

4.跳跃表

Redis的skilplist和普通的skiplist没什么不同，都是冗余数据实现的从粗到细的多层次链表，Redis中应用跳表的地方不多，常见的就是有序集合。
Redis的跳表和普通skiplist没有什么特殊之处。

5.链表

Redis的链表是双向非循环链表，拥有表头和表尾指针，对于首尾的操作时间复杂度是O(1)，查找时间复杂度O(n)，插入时间复杂度O(1)。
Redis的链表和普通链表没有什么特殊之处。

三.AOF和RDB持久化

AOF持久化日志，RDB持久化实体数据，AOF优先级大于RDB。

1.AOF持久化

机制：通过定时事件将aof缓冲区内的数据定时写到磁盘上。

2.AOF重写

为了减少AOF大小，Redis提供了AOF重写功能，这个重写功能做的工作就是创建一个新AOF文件代替老的AOF，并且这个新的AOF文件没有一条冗余指令。（例如对list先插入A/B/C，后删除B/C，再插入D共6条指令，最终状态为A/D，只需1条指令就可以）
实现原理就是读现有数据库的状态，根据状态反推指令，跟之前的AOF无关。同样，为了避免长时间耗时，重写工作放在子进程进行。

3.RDB持久化

SAVE和BGSAVE两个命令都是用于生成RDB文件，区别在于BGSAVE会fork出一个子进程单独进行，不影响Redis处理正常请求。
定时和定次数后进行持久化操作。
简而言之，RDB的过程其实是比较简单的，满足条件后直接去写RDB文件就结束了。

四.多机和集群

1.主从服务器

避免单点是所有服务的通用问题，Redis也不例外。解决单点就要有备机，有备机就要解决固有的数据同步问题。

1.1 sync——原始版主从同步

Redis最初的同步做法是sync指令，通过sync每次都会全量数据，显然每次都全量复制的设计比较消耗资源。改进思路也是常规逻辑，第一次全量，剩下的增量，这就是现在的psync指令的活。

1.2 psync

部分重同步实现的技术手段是“偏移序号+积压缓冲区”，具体做法如下：
（1）主从分别维护一个seq，主每次完成一个请求便seq+1，从每同步完后更新自己seq；
（2）从每次打算同步时都是携带着自己的seq到主，主将自身的seq与从做差结果与积压缓冲区大小比较，如果小于积压缓冲区大小，直接从积压缓冲区取相应的操作进行部分重同步；
（3）否则说明积压缓冲区不能够cover掉主从不一致的数据，进行全量同步。
本质做法用空间换时间，显然在这里牺牲部分空间换回高效的部分重同步，收益比很大。

2.Sentinel

本质：多主从服务器的Redis系统，多台主从上加了管理监控，以保证系统高可用性。

3.集群

Redis的官方版集群尚未在工业界普及起来，下面主要介绍一下集群的管理体系和运转体系。

2.1 slot-集群单位

集群的数据区由slot组成，每个节点负责的slot是在集群启动时分配的。

2.2 客户请求

客户请求时如果相应数据hash后不属于请求节点所管理的slots，会给客户返回MOVED错误，并给出正确的slots。
从这个层面看，redis的集群还不够友好，集群内部的状态必须由客户感知。

2.3 容灾

主从服务器，从用于备份主，一旦主故障，从代替主。

通过Redis的研究，深刻体会到的一点就是：所有设计的过程都是权衡和割舍的过程。同样放到日常的工作和开发中也是如此，一句代码写的好不好，一个模块设计的是否科学，就从速度和内存的角度去衡量看是否需要优化，并去评估每一种优化会收益到什么，同时会损失什么，收益远大于损失的就是好的优化，这样往往对于开发和提升更有针对性，更能提高效率。

到此，关于“Redis数据结构和内存管理方法是什么”的学习就结束了，希望能够解决大家的疑惑。理论与实践的搭配能更好的帮助大家学习，快去试试吧！若想继续学习更多相关知识，请继续关注创新互联网站，小编会继续努力为大家带来更多实用的文章！

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